英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于NDE和传感器技术的实验性证明和特征描述的混合模拟试验台

迈克尔·梅尔卡多W.1和张云峰，A.M.SE2

摘要：在线结构健康监测系统已越来越多应用于桥梁，这往往是由实施各种本地检测和无损评价（NDE）设备组成的。然而，在此之前的任何新类型的传感器和NDE技术，例如：超声表面波传感器，可以部署现场实施，他们首先需要进行验证和表征实际情况下负载和环境条件中受控的实验室环境。本文演示了如何使用混合测试设置来创建一个表征测试平台NDE和传感器技术的更现实的评估。根据黄河磨房池塘原型桥结构大桥在康涅狄格州被选中展示出一种混合仿真测试平台的特点和问题进行传感器特性，如用于表示交通负荷，和大规模的灵活性标本，甚至有小的检测设备。采用这种原型桥结构，在0.6级钢翼缘板试件进行了一系列的使用实际变幅交通负荷混合仿真试验焊接盖板。对这种混合模拟试验台的特征进行了讨论，其中包括虚拟模型的复杂性（例如，动态质量的效果和结构的阻尼），并且可以测试开发稳定性问题。最后，混合测试平台的能力变化的环境条件下，以评估传感器性能被证明为升高的温度。虽然应变仪用于证明该技术，但是传感器测试平台还可用于其它类型的无损检测设备和传感器的一般表征。

DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000360。2012美国公民工程师协会。

CE数据库主题词：桥梁; 疲劳;混合方法;探测仪器;结构健康监测;试验。

关键词：大桥; 疲劳;混合仿真; 传感器;结构试验;结构健康监测。

1、简介

许多桥梁结构达到其使用寿命的末期时都需要以结构健康监测（SHM）和信息为基础的维修工作，来确保它们还能满足他们的设计负载和可维护性的要求。各种各样的传感器都开始由在线SHM系统部署在上桥（Park等人2008;云等人2010; Jang等2010）。传感器已被广泛用于监测，并且监测数据允许更新知识结构性能，可显著影响干预策略。通常，这些直接放置在字段的传感器评价如何执行是根据他们在现场实际和负载条件。用这种方法的有利面是，实际的负载进入适用的领域;然而，这种在受控的实验室环境下的评估方法缺乏对多余测试变量的控制，正因为环境的噪音和太多的影响因素，试验结果往往混淆的。

盐雾，大环境的温度变化，耐腐蚀和水分是影响传感器生命周期性能的所有潜在因素;因此这些传感器的性能特征必须在投入现场使用之前真实地评估。因此，在传感器被大规模用于SHM之前，它们必须得到校检，其特征在于，在有良好控制的实验室真实负载条件下的环境中校准。从这些特性测试收集的传感器数据还提供必要的信息用于结构状况诊断和预测基础设施的剩余使用寿命。然而，有很少（如果有的话）报告测试平台，用于评估和表征能够真实地模拟交通诱导负荷的行动传感器，用于良好控制环境下的基础设施监控。

当常规的实验室试验被用于评价无损评估（NDE）或传感器技术，经常都要对历史加载或坏增长模式进行简化（例如，钻孔，以模拟缺陷）。详细加载历史（例如，一座桥的交通负载）可以被简化为正弦或其它的恒定荷载，重复的装载类型用检测设备。在这样的恒定振幅加载下，像在焊接部位疲劳裂纹扩展损伤的增长模式则可能与在实际桥梁不同。此外，该试验标本，由于测试设备的功能或室内环境的尺寸适用温度或湿度控制，对评价传感器被连接到可能是太小规模。这是应用程序在细节的敏感传感器上存在问题，例如超声导波传感器或声波发射疲劳传感器，需要进行评估。

为了准确地描述濒死体验和传感器技术基础设施监控，一个测试台需要，可以创建加载并接近现场测试环境条件受控的实验室环境。这种传感器的表征测试平台通过混合测试设备展出。这种混合测试平台提供了潜在的控制实验室设置在其中真实世界像负载和环境条件可模拟。而混合动力仿真技术已初步开发，现已广泛用于地震类型结构测试（盛等人1996;舍伦贝格等人2006），本文展示howthis测试的类型可适于测试和验证传感器和无损检测技术的应用SHM。所提出的混合仿真实验平台之间的差异显着传感器表征和地震测试如下：（1）应用负载是不同的：地震混合仿真有地震地面运动作为输入负载，而传感器的混合仿真采用移动车辆负载通常持续时间较长。 （2）负荷范围是不同的;地震混合测试通常进入塑料变形或在试样严重损害，而在传感器杂交试验，试样通常装载它的线性内弹性范围。这对如小排量挑战控制，这是与一个位移放大装置寻址在测试设置。 （3）环境影响：由于温度和其他环境影响（例如，水分）是很重要的传感器和无损检测设备性能，这项研究提出了一个custommade环境箱传感器的混合测试。这个本文展示了这些特性的原型桥大梁与盖板疲劳细节样本（2011梅尔卡多）。

2、混合仿真试验台的说明

本节给出的测试设置的一般说明，包括原型桥结构模型，混合仿真平台，和实验装置的各个部件。

2.1原型桥梁结构

为了证明实施混合测试方法开发评估NDE和传感器技术的测试平台，现有的钢箱梁桥称为疲劳细节被选为原型结构，和桥桁的一部分，制作供试在混合测试样品进行的。现有的桥梁，这原型结构是仿照关是黄河磨房池塘桥布里奇波特，康涅狄格州。黄河磨房池塘桥承载康涅狄格州收费公路（I-95），并于1958年桥被修建承载着每个方向的交通三条车道，由14简单跨越通常具有48米（100英尺）的长度。

所有在整个黄河磨房池塘大桥使用的梁是热轧宽翼缘（WF）与两个盖板横梁压缩和拉伸凸缘。什么是这些独特的封面板，但是，是在结束的信息。所有盖板上的这座桥结束不是锥形的，而是具有被四舍五入为半径的角76.2毫米（3英寸）（隆盛和Fisher，2000）。因为端部黄河比尔PondBridgewere盖板圆角代替的锥形的，大的应力集中建立在焊趾在盖板的端部。鉴于货车通行的大量关于这个桥，这个大梁配置进行有可能为疲劳裂纹形成在这些焊接的脚趾。 1970年大桥的检查结果显示疲劳裂纹已经形成在所述盖板的信息22在焊趾的位置（Fisher等人，1981）。

后疲劳裂纹黄河磨房池塘发现桥，应变仪随后被安装在大梁。 如结果，大量的数据中收集的应力范围这些桁遇到和应力范围直方图一直提供（Fisher等人1981）。因为疲劳裂纹的易焊接的细节和大量的应变数据采集时，黄河磨房池塘桥提供了展示的理想选择使用混合测试方法用于评估SHM上钢公路梁桥的技术和传感器，它被用来作为在混合测试模型桥。

2.2原型桥的有限元建模

在混合模拟，被测试的原型结构通常分成两部分彼此连通与测试大规模但结构的局部部分即中制造和物理测试（试验片）和通常大，即在数值建模的结构的其余部分有限元模型。黄河磨房池塘桥的情况下，大梁有标准的WF-梁截面，并简支;因此，该梁可以很容易地在一有限元建模程序。然而，在盖板端部，其中，疲劳破解已知有形成时，梁的这一部分将是物理测试，因为疲劳裂纹发生在其热点区域。这也是梁，其中无损设备或传感器的部将典型地放置并进行评价。其结果是，试样基于所述下凸缘和盖的1.524米（5英尺）部在板的位置在那里被发现的疲劳裂纹入选要用于混合测试试样。剩下的梁是仿照实际上使用通用的有限元软件程序OpenSees的（1997麦肯纳）。示意图示出了测试样品和虚拟的关系为黄色磨房池塘桥部件被认为是在图1。

图1.混合测试方案的示意图

该OpenSees的最初是为通用开发，经历复杂结构的非线性有限元分析非弹性变形（1997麦肯纳）。其结果是，该软件具有使用各种元件的一个非常大的文库中的造型结构。调查的造型细节的影响黄河磨房池塘桥虚拟部件，四个不同类型的虚拟模型进行了审议。第一这些类型是根据桁架元件的平面模型，它是衍生自分析模型的等效中点偏转。的目标这种类型的模型是梁简化成等价桁架由一系列桁架元素，这将产生从下路过的卡车移动荷载相同的全局响应。这方面的一个图像桁架模型可以在图2（a）中看到。在这个桁架模型，水平在桁架模型的行为的顶部和底部弦元素如在梁的上和下凸缘的元件。剪切效果采取对角线桁梁部件。第二类型的考虑虚拟模型是基于相同的几何形状的桁架模型图。图2（a）；然而，质量被分配到每个上弦节点从死负载，如代表大众作为梁的自重和混凝土甲板。通过增加质量，本次桁架模型可以纳入动态效果（即，振动）。瑞利阻尼被选为阻尼模型桥，和0.01的粘性阻尼系数被分配对模型的前两个模式。

第三个虚拟模型是基于四元素的细化网格来表示梁的腹板。这种精致的图像网格模型可以在图中看到。图2（b）通过使用二维四元素来代表那些在非常小的网状网络尺寸，目标是比较创造一个更精确的解用桁架元素Web模型。建模的上部和梁的下凸缘，桁架元件被使用，这是类似于图的模型。图2（a）没有在分配的阻尼或质量这一模式。第四虚拟模型具有相同的几何形状的第三种模式，同时集成通过包括动态效果质量与上弦杆节点和瑞利阻尼结构。

1. 网状虚拟模型

（b）细化网格虚拟模型

图2.虚拟有限元模型的类型：（a）网状虚拟模型； （b）细化网格虚拟模型

2.3混合测试设置

试样是的下一个0.6缩放1.524米（5英尺）部法兰在横向焊接，其中盖板终止中心和疲劳裂纹被发现（图1）。 0.6缩放测试样品被选作两个实际的原因。第一，容量可用于执行这一研究伺服液压检测设备借自己测试类似规模的结构元素。第二，试样的1.524米（5英尺）长便于安装无损检测设备（例如，超声相控阵探头）或传感器对钢（声发射传感器，应变仪，等等）试样的板。用于装载的试验设备试样是245kN（55千磅）MTS伺服控制的动态执行器与MTS的FlexTest60控制器。

显示出试样的图像附到装载帧藏汉作为试验片的概略图中可以看出图3，本试样是下凸缘和盖板在中心焊接界面，以及该试验片已旋转90°关于它的纵向轴线以适合反应框架的夹具。在一端试验片，螺纹杆被放置在测试之间标本和用于位移放大的致动器。因为螺纹杆的面积比试验片少得多，它具有低得多的刚度和这样扩增轴向伸长相比用试样。由于分辨率有限的建于MTS伺服液压位移传感器（即LVDT）执行机构[模型244.31with two0.946-L /秒（15加仑/分钟）伺服阀]测量在小负载的试样的轴向变形各级带来的技术困难，喂养精确的负载值的虚拟模型;因此，螺纹杆被用作位移放大器，该放大器将产生的位移的在一个更大的价值致动器和用于随后更精确的变形数据反馈到杂交测试期间所述虚拟模型。缩放问题将在下面讨论，并且关于确定的信息缩放因子可以在梅尔卡多（2011年）被发现。

在混合试验中，指定负载中的虚拟模型。然后这些负载传递到所有的单个元素的结构以及界面自由度中，其中该物理标本被连接到虚拟模型。然后接口负载通过在测试的伺服液压致动器施加通过该命令指定的位移控制标本（位移控制）或力（对于力控制）。然后测试样品的响应被测量并反馈到在有限元虚拟模型，并且力和位移自我更新。在下一个负载周期接着开始，并且处理重复。

俯视图

侧视图

图3.混合模拟测试设置和试验片的概略（单位为英寸;1英寸=25.4毫米）

加载模型中指定的AASHTO疲劳车AASHTO（1990）。该AASHTO疲劳车是基于开发从超过27,000辆卡车和30称重运动（WIM）的研究站点全国范围（Snyder等。1985）。此外，轴间距被近似的基础上的四，五轮轴轴间距卡车，其中占主导地位桥梁的疲劳损伤。这种细节疲劳货车轮轴配置由Chotickai（2004）给出。使用这种负荷模型，按随机产生疲劳卡车仿真基于所述WIM数据，和负载被施加到虚拟模型，这些卡车过桥行驶。实事求是模拟可变振幅交通负荷，毛重在虚拟模型产生的每个疲劳卡车的随机生成基于用于黄色磨房池塘得到的WIM数据从运输部康涅狄格州桥。从WINdata和样品负载计算货车载荷历史范围显示这种类型的随机产生的载荷历史是显示于图4（分别为a和b）。

（a）平均WIM （b）节点4样品负荷历史

图4.模拟一辆货车：（a）从货车载荷范围的称重运动在黄河磨房池塘桥址的数据收集；（b）样本载重负荷历史（1千磅=4.45千牛）

在混合测试中，因为测试样品的反应内置在MTS执行器称重传感器和LVDT被送入测量回入黄磨房池塘桥为每个所述虚拟模型负载阶跃。该软件框架，将这些物理与计算机模型测试的元素是OpenFresco，这是混合测试软件框架之一，最近在开发美国（舍伦贝格等人，2006，2008）。在OpenFresco，一模块被称为类，包括ExperimentalElement，试验场，实验装置和实验控制班。每个模块可以被修改，并且可以在不添加新的影响其他模块。在一个混合测试，为第一任务软件架构是从转变自由的程度坐标有限元软件的系统的那些的标本被物理测试，通过考虑的几何形状和该系统的运动学。随后，另一类负责为实验室控制和数据采集之间的通信系统。此OpenFresco框架被用来促进MTS的测试设备和之间的通信混合测试期间基于OpenSees的有限元模型。

3、混合仿真试验台的参数研究

本节进行了一系列的杂交测试的结果以展示混合仿真试验台的能力更现实的负载条件下传感器特性。本节还针对不同类型的虚拟响应可以在模拟黄河磨房池塘桥中使用的模型这些模型对混合测试过程中的稳定性检测结果。

3.1混合仿真试验台的总示范

一系列的混合测试中进行演示了如何混合测试平台可以用于验证和表征创建一个

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146321]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word